Come produrre parti in silicone da colata in stampi realizzati in 3D

I siliconi sono materiali molto usati per la produzione di parti morbide per utilizzo finale per una vasta gamma di applicazioni, come apparecchi acustici personalizzati, oggetti di scena per cinema e serie TV, protesi, maniglie e impugnature dei beni di consumo e molto altro.

Questa guida fornisce una panoramica sugli stampi per silicone da colata realizzati in 3D, tra cui stampi a iniezione in due componenti, sovrastampi, stampi a compressione e stampi a guscio. Questi metodi possono essere utilizzati per la prototipazione di prodotti in silicone morbido, per la produzione di piccoli lotti di unità beta destinate alla clientela o di prodotti per utilizzo finale personalizzati.

In questo documento forniamo una guida dettagliata per la produzione di un portachiavi in silicone da colata con un AirTag Apple incorporato, utilizzando le buone pratiche per la progettazione degli stampi di diversi clienti Formlabs che si occupano di design di prodotto. Scarica il nostro whitepaper per leggere un rapporto dettagliato che comprende i flussi di lavoro relativi ai materiali, la compatibilità silicone-resina e gli agenti distaccanti consigliati.

Gli stampi tradizionali per la produzione di parti in silicone sono realizzati con la lavorazione meccanica CNC a partire da blocchi di alluminio o acciaio. Tra questi ci sono gli stampi a iniezione da due o più componenti per le gomme siliconiche liquide (LSR) o quelli a compressione a cavità singola utilizzati con uno strato di gomma siliconica polimerizzata a caldo (HCR), che viene polimerizzata sotto pressione e ad alta temperatura.

Solitamente questo tipo di stampi metallici viene utilizzato per la produzione di massa, ma quando viene impiegato per la prototipazione, i tempi di realizzazione di diverse settimane e i costi iniziali per le attrezzature, che variano da centinaia a migliaia di dollari, limitano la capacità dei team di design di implementare e testare piccole modifiche sul design dello stampo.

La stampa 3D desktop è un'ottima soluzione che consente di produrre questi strumenti in modo rapido e a basso costo. Richiede un'attrezzatura molto limitata, il che consente al personale di concentrarsi su attività ad alto valore. Con la stampa 3D in-house, produttori e designer di prodotto possono introdurre la creazione rapida di attrezzature nel processo di sviluppo dei prodotti per validare le scelte di design e materiali prima di passare alla produzione di massa. Possono eseguire iterazioni rapide, accelerare lo sviluppo del prodotto e lanciare sul mercato prodotti migliori.

La tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) è un'ottima scelta per la creazione di attrezzature per lo stampaggio in silicone. La parti stampate in stereolitografia sono caratterizzate da una finitura superficiale liscia e da un'elevata precisione. Le gomme siliconiche RTV catturano i dettagli superficiali più minuti, difetti inclusi, per cui la qualità della superficie dello strumento si riflette sulla finitura superficiale della parte finale. Ad esempio, uno stampo realizzato con una stampante a modellazione a deposizione fusa (FDM) lascerebbe impronte visibili delle linee degli strati sulla parte in silicone.

Con la Clear Resin di Formlabs, ma anche con altre resine trasparenti come la BioMed Clear Resin, è possibile controllare visivamente il processo di iniezione del silicone, il che consente ai team di design di verificare la formazione di bolle e vuoti, così da individuare le aree in cui è necessario smussare gli angoli o aggiungere sfiati aggiuntivi.

La stampa 3D SLA permette anche di realizzare design complessi; uno stampo realizzato in 3D consente ai team di design di sfruttare sottosquadri o altre geometrie complesse che con la lavorazione meccanica CNC avrebbero costi proibitivi o sarebbero addirittura impossibili da produrre. 

La Clear Resin di Formlabs offre anche prestazioni meccaniche piuttosto versatili. Questo materiale si può utilizzare sia per realizzare stampi a guscio molto sottili e facili da rompere per produrre parti in silicone personalizzate, sia per stampi a compressione robusti utilizzabili più volte per produrre guarnizioni. Infine, l'utilizzo di un sistema di produzione economico da banco riduce i tempi di realizzazione: il personale addetto al design può stampare la geometria di uno stampo e iniziare a iniettare il silicone il giorno successivo.

Quando viene utilizzata con gli stampi realizzati in 3D, la gomma siliconica RTV è in grado di riprodurre i dettagli superficiali più minuti, tra cui le scritte goffrate. Inoltre, la maggior parte dei siliconi da colata non sono chimicamente adesivi e dopo la polimerizzazione si staccano dalla superficie dello stampo. Si può raggiungere il fissaggio meccanico colandoli su superfici molto porose come tessuti intrecciati e, in alcuni casi, si può stimolare il fissaggio chimico con leganti speciali.

In questo video, Mack Mor, ingegnere di prodotto senior presso OXO, spiega come l'azienda usa la stampa 3D per realizzare velocemente parti in vero silicone e fa una dimostrazione rapida della colata di silicone. 

Ogni volta che un materiale colabile come il silicone entra in contatto con uno stampo realizzato in 3D, dobbiamo tener conto dell'interazione chimica tra i due materiali. Esistono moltissime combinazioni possibili di silicone, resina, rivestimento protettivo e agente distaccante. Abbiamo chiesto a clienti di diversi settori di descriverci i flussi di lavoro con cui hanno ottenuto i risultati migliori e le loro risposte sono riassunte nel nostro whitepaper. 

Il silicone RTV non richiede calore o pressione elevati, quindi può essere facilmente lavorato con attrezzature limitate in un laboratorio di prototipazione, riducendo i costi di avvio necessari per inserire parti morbide nel portfolio di design di un'azienda.

Esistono diversi metodi per la produzione di parti in silicone che consentono di ottenere risultati diversi. Ad esempio:

Per quanto il risultato di ogni processo di stampaggio possa sembrare simile, ci sono alcuni criteri che consigliamo di seguire per la scelta del tipo di stampo. Tra questi ci sono la geometria della parte finale e la possibilità di inserire nel design sottosquadri e fori, la scala della produzione e i materiali da colare. Nella tabella seguente riportiamo alcune linee guida.

Vuoi produrre in-house volumi ridotti di parti in silicone con la stampa 3D in modo rapido e conveniente? Leggi la seguente procedura dettagliata per realizzare uno stampo per la colata di silicone.

Nell'esempio seguente, creeremo uno stampo per produrre un portachiavi con un dispositivo AirTag Apple incorporato.

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Per prima cosa, è necessario un modello CAD della parte finale. Lo puoi progettare con un software CAD oppure sottoponendo una parte esistente a ingegneria inversa mediante una scansione 3D.

In questo esempio, abbiamo creato uno stampo per produrre un portachiavi con un dispositivo AirTag Apple incorporato, per cui abbiamo utilizzato una riproduzione digitale del dispositivo AirTag Apple.

Il nostro whitepaper fornisce indicazioni dettagliate sulla progettazione di attrezzature stampate in 3D per questo progetto. Questi passaggi base e le buone pratiche si applicano a qualsiasi tipo di stampo a iniezione o sovrastampo con riempimento per gravità:

1. Progetta il volume di base, inclusi i componenti elettronici incapsulati
2. Definisci una linea di separazione e dividi lo stampo
3. Rimuovi il volume di base dallo stampo
4. Progetta il punto di iniezione del silicone
5. Stabilisci la posizione degli sfiati
6. Aggiungi caratteristiche che facilitano l'allineamento per fissare i componenti elettronici incapsulati
7. Aggiungi elementi che permettano ai due componenti dello stampo di combaciare
8. Progetta una scanalatura per contenere l'eccesso di silicone
9. Modifica il punto di iniezione in modo che si adatti alla siringa utilizzata
10. Crea punti di distacco sulla parte esterna dello stampo

Per istruzioni dettagliate sul design degli stampi, leggi il whitepaper Produzione di parti in silicone con strumenti stampati in 3D.

A seconda delle dimensioni, puoi utilizzare diverse stampanti 3D a resina di Formlabs, come la Form 3+ per gli stampi più piccoli o la Form 3L per quelli di grandi dimensioni.

Per quanto riguarda le resine, vanno bene molte di quelle disponibili, ma la Clear Resin o la BioMed Clear Resin sono ottime opzioni perché consentono di visualizzare il flusso di silicone durante la colata.

Con il software PreForm puoi preparare automaticamente il modello da stampare e inviarlo alla stampante. Consigliamo di usare uno spessore dello strato di 50 micron per ottenere un buon equilibrio tra superficie liscia e rapidità di stampa.

Il silicone riporta i dettagli della superficie, tra cui le linee degli strati, per cui per alcune applicazioni estetiche potrebbe essere necessario uno spessore dello strato di 25 micron. Orienta le parti sulla piattaforma di stampa in modo che le superfici interne, le più importanti, non presentino segni lasciati dai supporti. In alcuni casi può essere utile poggiare lo stampo sulla piattaforma di stampa. 

Dopo aver realizzato lo stampo, lava e polimerizza le parti stampate e rimuovi i supporti.

Prepara lo stampo alla colata applicando i rivestimenti protettivi e l'agente distaccante. Utilizza un agente distaccante ogniqualvolta due materiali diversi entrano in contatto tra loro. Questo vale anche per i componenti elettronici incorporati da inserire e rimuovere da una guaina in silicone sovrastampata. Se hai bisogno di consigli, consulta la tabella sui flussi di lavoro dei nostri clienti nel nostro whitepaper.

Segui le linee guida riportate sull'imballaggio del materiale e attendi che i rivestimenti siano completamente polimerizzati o asciutti prima di passare alla fase successiva. 

Fissa con cura lo stampo partendo dalla direzione di trazione assicurandoti che lo stampo e gli oggetti incapsulati restino allineati.

Fissaggio e riempimento dello stampo con il silicone da colata.

Prepara il silicone che preferisci e riempi lo stampo. Leggi il nostro whitepaper per sapere di più su quale tipo di silicone scegliere.

Successivamente, sforma e rifinisci la parte in silicone. È normale che si creino delle sbavature in corrispondenza della linea di separazione. Innanzitutto rimuovi il silicone in eccesso dalla parte esterna dello stampo. Apri lo stampo inserendo un cacciavite a testa piatta o un altro strumento piatto nel punto di distacco e ruotandolo delicatamente per rompere il sigillo. Rimuovi la parte in silicone, tenendo presente che potrebbe essere necessario tagliare delicatamente il silicone in corrispondenza di eventuali prese d'aria.

Dopo aver rimosso la parte in silicone dallo stampo, utilizza un rasoio o delle tronchesine con lama affilata per eliminare sfiati e punti di iniezione dalla parte. Le protuberanze residue possono essere rimosse strofinandole delicatamente con carta abrasiva a grana fine bagnata. Infine, per rimuovere i residui di carta abrasiva e agente distaccante, basta lavare la parte con acqua e sapone.

A seconda del tipo di stampo, è possibile riutilizzarlo più volte. Prima di riempirli nuovamente con il silicone, potrebbe essere necessario pulire gli sfiati con uno strumento affilato e/o riapplicare l'agente distaccante.

È normale dover eseguire diverse iterazioni di design dello stampo dopo aver provato il flusso di lavoro completo. Alcune modifiche da apportare al design possono includere l'aumento della distanza di offset tra gli elementi di accoppiamento, lo spostamento dei perni di allineamento per garantire che gli elementi incapsulati siano perfettamente fissati o l'aggiunta di sfiati nelle aree in cui tendono a formarsi bolle d'aria durante il riempimento.

La stampa 3D è utile per realizzare parti in silicone da colata con stampi realizzati in 3D, per creare stampi in silicone per la colata di altri materiali o per stampare in 3D con materiali morbidi simili al silicone, come la famiglia di resine Flexible ed Elastic di Formlabs.

Con l'ecosistema di stampa completo e intuitivo di Formlabs è facile iniziare a realizzare stampi per la colata di silicone realizzati in 3D e aggiungere componenti in gomma morbida al proprio portfolio di prodotti o progetti.

Richiedi un campione gratuito per toccare con mano i materiali di stampa 3D di Formlabs e contatta i nostri specialisti di stampa 3D per trovare la soluzione migliore per la tua applicazione.